논문 2015-52-10-16
수중 환경 정보 DB 기반 준-정적 수중음향 채널 수중음향 탐지 효과도 분석 모의 도구 구현
( Effectiveness Analysis Tool for Underwater Acoustics Detection in Quasi-static Underwater Acoustics Channel based on Underwater
Environmental Information DB )
김 장 은
*
, 한 동 석** *
( Jang Eun Kim and Dong Seog Han
ⓒ)
요 약
수중음향 채널환경에서 운영되는 검파시스템 성능분석은 실험의 제약으로 인해 모의 도구를 활용하여 시스템 성능을 결정 한다. 본 논문은 수중음향 채널에 대한 탐지 효과도 분석을 위하여 수중환경 데이터베이스를 기반 수중음향 탐지 효과도 분석 모의 도구를 제안한다. 먼저, HYCOM 수중환경 데이터베이스 기반으로 수중 환경을 구축하고, 음선이론을 이용하여 수중음향 전달 경로/음압 계산을 통한 다중경로 지연 특성을 고려하였다. 또한, 실 환경에서 발생하는 수중 잡음 특성을 반영하기 위해 운용 주파수에 따른 수중청음기/수중음향 채널 잡음 특성인 열잡음/수중 주변 잡음을 적용하였다.
Abstract
It is difficult to test a detection system in underwater acoustics channel environments. The system can be evaluated by using simulation analysis tool. In this paper, a simulation tool is proposed to analyze the effectiveness of underwater acoustics detection based on database for real environments. First, the underwater environment is built based on HYCOM underwater environment database. Then, a multipath characteristic is considered through calculating underwater acoustics propagation path/pressure based on the ray theory. Also, hydrophone thermal noise and underwater ambient noise are considered to reflect underwater noise characteristics.
Keywords
:Underwater Acoustics Channel, Modeling, Environment, Ray theory, FFT, STFT, HYCOM, SSP
*
정회원 국방기술품질원/경북대학교 IT대학 전자공학부 (Defense Agency for Technology and Quality) (School of Electronics Engineering, Kyungpook National University)
**
평생회원, 경북대학교 IT대학 전자공학부
(School of Electronics Engineering, Kyungpook National University)
ⓒ
Corresponding Author(E-mail: [email protected])
Received ;
June 4, 2015Revised ;
September 4, 2015Accepted ;
September 25, 2015Ⅰ. 서 론
수중음향 채널에 대한 분석은 지상 통신 채널에 비해 상대적으로 외부 환경 요소인 강우, 바람, 일조량, 유속 등에 의한 영향을 쉽게 받는다. 그래서 수중음향 채널 의 분석이 매우 제한적이며, 이것이 필요한 개발대상 및 연구에 대한 실 환경 테스트-베드를 구축하기에 많 은 시간, 비용적 문제가 발생하는 어려움이 있다. 이를 해결하기 위해 모델링 및 시뮬레이션을 활용하며, 특히 국방 분야의 경우 무기체계 획득 업무를 시간, 비용적
개선 발전시키는 개념으로 시뮬레이션기반 획득 (simulation based acquisition, SBA)을 의사결정 수단 으로 활용하고 있다[1]. 위와 같은 일환으로 수중음향 채 널 분석 모의 도구에 대한 국외 연구 경우 OAL(Ocean Acoustics Library)[2]와 같이 활발하게 이루어지고 있 다. 그러나 OAL에서 제공하는 모의 도구는 수중 물리 적 현상 분석에 초점이 맞춰져 있어 수중음향 채널/신 호 탐지/분석에 제한적이다. 또한, 국내의 경우 수중음 향 채널/신호 탐지/분석 도구 대한 연구는 수중음향통 신/ 네트워크/신호처리 등 수중음향 신호처리 성능 분석 용 무기체계 공학 모델 분석 시 수중음향 채널에 대한 환 경 특성을 제외하고 단순히 고정된 다중경로 수중음향 수신에 가우시안 잡음만을 적용한 채널특성/효과도 분석 에 제한적으로 활용하고 있다[3～6]. 본 논문에서 제안하 고자 하는 수중음향 탐지 효과도 분석 모의 도구는 수 중음향 환경요소가 고려하여 실제 수중음향 채널을 모 의하기 위해 HYCOM 수중음향 환경 데이터베이스 기 반으로 수중 환경을 구축하였다. 또한, 운용 주파수에 따라 수중음향채널 다중경로/잡음 및 해상 상태를 반영 할 수 있도록 구현 하였다. 이렇게 모의된 수중음향 채 널에서 분석하고자 하는 위치에 대한 실시간 운용 주파 수 수신신호 탐지 효과도 분석을 위해 단주기 푸리에 변환(short time Fourier transform, STFT)을 적용했다.
마지막으로 운용자가 모의하고자 하는 채널환경에 대한 수중음향 신호 분석이 용의하도록 송신신호/실시간 음 파 전달/수신신호/2차원∙3차원 STFT 결과를 가시화 하였다.
서론에 이어 본 논문의 구성은 다음과 같다. Ⅱ장에 서는 제안하고자 하는 모의 도구 알고리즘과 국내 수중 환경 구현을 위해 적용된 모델 구현에 대해 설명한다.
Ⅲ장에서는 구현된 모의 도구로 변수에 따른 수중음향 탐지 효과도 분석 모의 도구 구현 결과를 보이고, Ⅳ장 에서 결론 및 향후 연구방향을 제시하고자 한다.
Ⅱ. 수중음향 탐지 효과도 분석 모의 구현 방법
1. 수중음향 탐지 효과도 분석 알고리즘
본 논문에서 제안하는 수중음향 탐지 효과도 분석 모 의 구현을 위해 갖춰야 하는 기능은 수중 환경 정보 데 이터베이스 기반 거리-종속 음속단면 처리 모델, 수중 음향 전달 경로/음압 계산을 위한 수치해석 모델, 수중
그림 1. 수중 음향 탐지 효과도 분석 알고리즘
Fig. 1. Effectiveness analysis algorithm for underwater acoustics detection.
음향 송·수신 신호처리 모델, 수중음향 수신 신호 분석 모델 등 4가지 모델로 구성되어 있다.
수중음향 탐지 효과도 분석 알고리즘은 그림 1과 같 이 구성되어 있으며, 알고리즘 실행 순서는 다음과 같 다. 첫째로 수중 환경 정보 데이터베이스로 부터 획득 된 수중환경정보(온도, 염분, 깊이, 해저면 형태)를 기반 으로 모의하고자 하는 합성 수중환경을 구현한다. 둘째 로 분석하기 위한 음향 신호를 생성하고, 음향신호 준 위, 지향이득, 탐지임계, 잡음 및 해상상태 정보를 입력 한다. 셋째로 앞서 구현된 합성 수중환경에 대한 수중 음향 수치해석 아이코날(Eikonal)/전송(Transport) 방정 식을 통해 계산된 음압/시간 활용한 준-정적 수중음향 채널을 모의한다. 넷째로 계산된 수중음향 채널 충격 응답을 활용하여 송신신호/수중음향 음선-추적/수신신 호를 확인할 수 있다. 마지막으로 수신신호를 활용한 단주기 푸리에 변환 분석을 통해 합성 수중환경 주파수 /위치별 수중음향 탐지 효과도를 확인할 수 있다.
2. 수중 환경 정보 데이터베이스 및 합성수중환경 모델
HYCOM(hybrid coordinate ocean model)은 전 지구 해양 현황 예보 시스템을 구축하여 실시간으로 이용 가 능한 모든 위성 및 동화된 현장 관측 자료 모델결과를 2003년 11월부터 지금까지 하루 간격으로 데이터를 미 국의 GODAE(global ocean data assimilation experiment)에서 제공하고 있다. HYCOM은 위성으로 부터 제공되는 수중 환경 정보들을 시·공간적 변화를 포함하여 여러 가지 관측 자료를 모델에 동화시키기 때 문에 다양한 수중 환경 연구 분야에 활용할 수 있다[7∼8].
또한, 제공하는 자료의 수평해상도는
∘
로 대한해 협의 각 수로의 지형적 특징을 표현하기에 충분하며, 국립수산과학원정선 관측 자료와 비교하여 HYCOM 결 과가 대한해협 동쪽에서 수온과 염분의 계절적 변동성 을 잘 반영한다[9]. 이런 특성을 가진 HYCOM 자료가 제공하는 수온, 염분, 압력, 방향벡터 등 수중 환경 연구 를 위한 다양한 변수를 제공하며, 현재 우리가 모의하 고자 하는 수중 환경에 대한 필요 변수인 수온, 염분, 압력(또는 깊이)을 활용하여 합성 수중환경 거리-종속 음속 단면을 구현하는 것이다.수중환경 변수를 이용하여 음속 단면(sound speed profile, SSP)을 구현하기 위한 수중음향 속도 방정식 은 과거부터 꾸준히 연구해 왔으며, 대표적인 공식으로 는 Wilson, Leroy, Frye and Pugh, Del Grosso, Medwin, Chen and Millero, Lovett, Coppens, Mackenzie가 있다[10].
본 수중음향 탐지 효과도 분석 도구에 적용되는 음속 방정식 선정 기준은 국립수산과학원에서 제공하는 국내 해안에서 측정되는 수온, 염분 및 압력(또는 깊이) 범위 를 고려하여 표 1의 범위를 갖는 다음과 같이 Coppens 방정식을 적용하였다[10∼11].
(1)
여기서 는 수중에서 음속(
), 는 염분(‰
), 는 깊참조 온도범위
(
) 염분범위(
‰
) 깊이범위(
) 표준오차 (
)Coppens
(1981) −2 ∼ 35 0 ∼ 42 0 ∼ 4,000 0.1
표 1. Coppens의 음속 알고리즘 파라미터 범위 Table 1. Coppens's sound-speed algorithm parameterranges.
그림 2. 거리-종속 음속 단면(Coppens) Fig. 2. Range-dependent Sound Speed Profile
(Coppens).
이(
) 그리고
는 수온(
)의 10분의 1을 의미한다. 식 (1)을 이용하여 HYCOM(‘15.05.19) (36.8424, 130.1600/36.9039, 130.3721) 자료 기반 거리-종속 음속 단면을 계 산한 결과는 그림 2와 같다.
3. 수중음향 수치해석 모델
수중음파전달 해석을 위해 파동방정식으로부터 나온 3가지 수학적 모델을 이용할 수 있다[10]. 3가지 수중음 향 수치해석 모델 중 연산 시간 및 데이터 이식성과 수 중음향 신호 합성이 용의한 음선이론을 적용하였다. 음 선이론은 Eikonal 방정식과 Transport 방정식을 기반으 로 수중음향 경로(시간)/음압(손실)을 계산할 수 있다.
헬름홀츠 방정식로 부터 음선이론의 음선 전달 경로/
음압에 대한 해를 구하는 과정은 다음과 같다. 먼저, 직 각좌표계
에서 헬름홀츠 방정식은 다음과 같 이 정의 할 수 있다.∇
(2)
여기서
는 음압,
는 음속,
는 각주파수, 는 음 원 발생 위치를 의미한다. 헬름홀츠 방정식의 해를 찾 기 위해 음선 급수인 다음과 같이 나타낼 수 있으며,
∞
(3)
식 (3)에 라플라시안 연산을 풀어 다음과 같이 구할 수 있다.
∇
∇
∇
∞
∇
․
∞
∇
∞
∇
(4)
식 (4)를 식 (2)의 헬름홀츠 방정식에 대입하여, w에 대해 정리하면, 와
에 관한 무한 수열로 아 래와 같이 나타낼 수 있으며,
: ∣∇∣
(5)
: ∇ ․ ∇
∇
,
: ∇ ․ ∇
∇
∇
식 (5)의
에 대한 방정식
를 Eikonal 방 정식이라 하며,
에 대한 나머지 방정식을 Transport 방정식이라 한다.[8] 위 식 (5)로부터 유도 정 리된 Eikonal 방정식은 식 (6)과 같으며, Transport 방 정식은 식 (7)과 같다[12∼14].
(6)
(7)
여기서 식 (7)의 는 자코비안을 의미한다. 식 (5)로부터 유도된 Eikonal 방정식과 Transport 방정식을 이용하여 위치에 따른 음압을 식 (8)로 확인할 수 있으며, 음압 계 산을 위한 초기 조건은 식 (9)와 같다[12].
(8)
(9)
위에서 계산된 Eikonal 방정식/Transport 방정식 기 반으로 도출된 식 (8)을 활용하여 HYCOM(‘15.05.19) (36.8424, 130.1600/ 36.9039, 130.3721)(기준 → 거리 : 0m, 깊이 : 0m(36.8424, 130.1600) 자료 기반 합성 수중 환경 위치(송신기 위치 → 거리 : 0m, 깊이 : 500m)에 따른 음선 전달 경로(시간)/음압(손실)을 계산하면, 그
그림 3. Eikonal/Transport 방정식 기반 음선 전달 경로/
음압 결과 예시(위 : 음선 전달 경로, 아래 : 음 압 손실)
Fig. 3. Eikonal/Trnasport equation's Ray propagation/
Sound pressure loss result example (Up : ray propagation, Down : sound pressure loss).
림 3의 결과와 같이 수중음향 채널 정보로 얻을 수 있 다[12∼14].
4. 수중음향 송·수신 신호 모델
가. 수중음향 송신 신호
본 분석 모의 도구에서 사용된 신호는 단일 주파수 성분을 가지는 사인 신호 기반(CW 핑-신호)으로 그림 4와 같이 구현할 수 있으며, 송신 신호 수식은 다음과 같다.
(10)
여기서 는 음압준위(
),
는 주파수(
),
는 시간(
) 그리고
는 위상상쇠(
)를 의미한다. 단일 주파수 성분 의 신호로 모델링한 이유는 수중음향을 이용하여 수중환 경 분석을 위해 여전히 실 환경에서 많이 사용되며, 주파 수에 따른 수중음향 탐지 효과도 분석이 용이하다.그림 4. 송신 음향신호 예시(
sec
) Fig. 4. Transmitted acoustics signal example.(
sec
)나. 소나방정식 및 잡음
소나방정식은 소나의 다양한 성능적인 측면을 표현 하기 위해 간단한 대수로 표현한 방정식이다. 보통 소 나 방정식은 소나 설계 사향을 결정하기 위해 나온 방 정식이다. 소나방정식을 가지고 다양한 잡음이 존재하 는 수중환경에서 송신기와 수신기 사이의 탐지 가능한 거리를 산출할 수 있는 계산식이다. 본 모의 도구에서 는 합성 수중환경에서 정해진 송신기 위치로부터 송신 된 신호를 기준으로 분석하고자 하는 수신기 위치를 선 택하여 수신신호를 분석하는 구조로 알고리즘 구현 범 위를 설정했기 때문에 수동 소나 방정식으로 적용하였 으며, 다음과 같다[15].
(11)
log
reference intensity source intensity
log
signal intensity at receiver signal intensity at m
log
reference intensity noise intensity
log
actual hydrophone noise power nondirectional hydrophone noise power
log
noise power at hydrophone terminals signal power of per forming a certain function
*
The reference intensity is a plane wave of rms pressure
.
여기서 SL은 음원준위, TL은 전달손실, NL은 잡음, DI 는 지향이득 그리고 DT는 탐지임계이며 단위는
이다.다. 잡음
수중환경에서 발생되는 잡음준위( )는
sel f
와
am bien t
2가지의 형태가 있다. 먼저, sel f
는 하이 드로폰의 자체 구조에 의해 열 잡음으로 발생되는 소음 이 있으며, am bien t
수중 환경 자체에서 발생되는 배 경 소음을 나타낸다. 본 수중음향 탐지 효과도 분석 모 의 도구에서는 주파수 및 하이드로폰에 따른 sel f
의 알고리즘을 다음과 같이 구현하였으며[16],
sel f
log log(12)
여기서
는 주파수(
),
는 수중청음기 효율(
)를 의미한다. 주파수 및 해상상태에 따른 am bien t
은 알고리즘은 다음과 같이 구현하였다[17].ambient
i f
log
i f
(13)
여기서 은1kHz
기준으로 표 2와 같이 해상상태에 따른 스펙트럼 잡음 준위이며, 식 (13)를 적용할 수 있는해상
상태 0 1 2 3 4 5 6
44.5 55 61.5 64.5 66.5 68.5 70 표 2. 해상상태에 따른 Knudsen의 값[17]
Table 2. Knudsen's value according to sea state[17].
주파수 범위는
이다.본 수중음향 탐지 효과도 분석 모의 도구에 적용되는 수중환경 잡음은 위 2가지(
sel f
, am bien t
) 잡음준 위에 사용자가 유연하게 잡음 준위를 독립적으로 추가 적용할 수 있도록 add
를 추가하여 다음과 같이 구현 하였다.
Total
sel f
am bien t
add (14)
여기서 self, am bi en t 그리고 add의 단위는
이다.다. 수중음향 채널 및 수신신호 모델
본 모의 도구에 적용된 수중음향 채널은 수중 환경 정보 데이터베이스로부터 얻은 데이터 기반으로 거리- 종속 음속 단면을 계산한다. 그리고 음속 단면 기반으 로 음선이론을 통해 Eikonal 방정식과 Transport 방정 식을 풀어서 음향의 방향과 음압을 계산할 수 있다. 결 론적으로, 위 두 방정식을 통해 모의된 합성 수중 환경 에서 원하는 위치에 대한 수중음향 채널 충격 응답 기 반으로 수중음향채널의 다중경로를 모의할 수 있으며, 수식으로 나타내면 다음과 같다[18].
(15)
여기서
는 n번째 경로 감쇠 인자,
는 N번째 경 로 충격응답 그리고
는 N번째 경로 지연시간을 의 미하며, 계산된 충격 응답은 HYCOM(‘15.05.19) (36.8424, 130.1600/ 36.9039, 130.3721)(기준 → 거리 : 0m, 깊이 : 0m(36.8424, 130.1600) 자료 기반 합성 수중 환경 위치(송신기 위치 → 거리 : 0m, 깊이 : 500m, 수신기 위치 → 거리 : 8,000m, 깊이 : 500m)에서 모 의한 결과 그림 5와 같다.식 (15)의
를 로 대체하면 다중경로가 적용된그림 5. 수중음향 다중경로 채널 충격 응답 예시 Fig. 5. Underwater acoustics multipath channel impulse
response example.
수신신호를 다음과 같이 표현할 수 있다.
(16)
여기서 는 n번째 경로 송신 음향 신호를 의미하며, HYCOM(‘15.05.19) (36.8424, 130.1600/ 36.9039, 130.3721)(기준 → 거리 : 0m, 깊이 : 0m(36.8424, 130.1600) 자료 기반 합성 수중환경 위치(송신기 위치→ 거리 : 0m, 깊이 : 500m, 수신기 위치 → 거리 : 8,000m, 깊이 : 500m)에서 계산된 다중경로 수신 신호는 그림 6과 같다.
다중경로 특성이 고려된 수신신호 식 (16)에 잡음을 고려한 최종 수신신호는 다음과 같으며,
(17)
HYCOM (‘15.05.19) (36.8424, 130.1600/ 36.9039, 130.3721)(기준 → 거리 : 0m, 깊이 : 0m(36.8424, 130.1600) 자료 기반 합성 수중환경 위치(송신기 위치
→ 거리 : 0m, 깊이 : 500m, 수신기 위치 → 거리 : 8,000m, 깊이 : 500m)에서 계산된 수신신호는 그림 7과 같다.
이렇게 수중음향채널의 다중경로와 잡음 모델을 통 해 준-정적 수중음향채널을 모의할 수 있다[19].
그림 6. 수신 음향신호 예시(다중경로)
Fig. 6. Received acoustics signal example(Multipath).
그림 7. 수신 음향신호 예시(다중경로+잡음) Fig. 7. Received acoustics signal example
(Multipath+Noice).
5. 수중음향 수신 신호 분석 모델
본 모의도구에 적용된 수신신호 분석은 단주기 푸리 에 변환을 이용하여 분석을 진행하였다. 먼저 분석을 진행하기에 앞서 수신되는 연속 신호를 표본화를 통해 이산신호로 만들어야 한다.
∞ ∞(18)
여기서 은 수신 음향 신호이며 는 표본화률을 의 미한다. 표본화된 신호의 스펙트럼을 결정하여 단주기 푸리에 변환을 이용하기 위해 수신 신호 중 일부를 선 택하여야 한다. 일부 신호를 선택하는 방법은 수신신호 에 식 (19)인 윈도우( )를 곱해서 얻을 수 있으며, 식 (20)과 같이 표현할 수 있다. ≤ ≤ otherwise
: Sample number (19)
≤ ≤
(20)
분석에 필요한 주파수는
으로 결정 되며, 윈도우 에 의해 분석하고자 하는 범위를 선 택하여, 고속 푸리에 변환을 계산할 수 있다. 이렇게 연 속 고속 푸리에 변환 계산 누적을 통해 단주기 푸리에 변환을 구할 수 있다. 본 수중음향 탐지 효과도 분석 모 의 도구에서는 고속 푸리에 변환 간격을 1초로 설정하 였다. 그리고 단주기 푸리에 변환(누적된 고속 푸리에 변환 신호 결과)을 통해 수신신호 분석 할 수 있도록 알고리즘을 구현하였으며, HYCOM(‘15.05.19) (36.8424, 130.1600/ 36.9039, 130.3721)(기준 → 거리 : 0m, 깊이 : 0m (36.8424, 130.1600) 자료 기반 합성 수중환경 위치그림 8. 수신 수중음향 신호 분석 결과 예시(왼 : FFT per Second, 오 : 3D Received acoustics signal power)
Fig. 8. Received acoustics signal analysis result example(Left : FFT per Second, right : 3D received acoustics signal power).
그림 10. 수중음향 탐지 효과도 분석 모의 도구 구현 결과(참조)
Fig. 10. Underwater Acoustics Detection Effectiveness Simulation Tool Implementation result(Reference).
(송신기 위치 → 거리 : 0m, 깊이 : 500m, 수신기 위치
→ 거리 : 8,000m, 깊이 : 500m)에서 계산된 결과는 그 림 8와 같다[20∼21].
Ⅲ. 수중음향 탐지 효과도 분석 모의 도구 구현 결과
Ⅱ장 에서 제안한 수중음향 채널 환경 특성이 고려된 수중음향 탐지 효과도 분석 모의 도구 사용자 운용 화 면은 그림 10과 같이 수중음향 수신위치(거리 : 8000m,
그림 9. 해양 환경 시험 위치
Fig. 9. Ocean Environment Test Location.
깊이 : 500)①, 운용 주파수(200Hz)②, 송신 신호 준위 (110dB)③, 수중음향 (30초)④, 수중음향 관측범위(60초)
⑤, 지향지수(0dB), 수중음향 송신 지속 시간(dB)⑥, 탐지임계(0dB)⑦, 추가잡음(0dB)⑧, 해상 상태 변수(0)
⑨, 수중음향 수신신호 임계준위(70%)⑩ 등 사용자가 지정하여 수중음향 탐지 효과도 분석이 용의하도록 구 현 하였다.
본 수중음향 탐지 효과도 분석 모의 도구는 그림 1에 서 소개한 수중음향 탐지 효과도 알고리즘 순서로 분석 이 진행된다. 첫째로 Ⓐ 단추를 이용하여 수중 환경 정 보 데이터 베이스(HYCOM(‘15.05.19) (36.8424, 130.1600/ 36.9039, 130.3721)(기준 → 거리 : 0m, 깊이 : 0m (36.8424, 130.1600)(그림 9)) 기반 모의 합성 수중 환경을 구성한다.
둘째로 Ⓑ 단추를 이용하여 구성된 모의 합성 수중 환경 정보를 기반으로 식 (1)을 계산하여 1차원 음속 단면ⓐ, 2차원 거리-종속 음속 단면ⓑ을 구할 수 있으 며, 음선이론 식 (8)을 통해 수중음향 수치해석 음압 결 과ⓒ를 가시화 하여 사용자에게 좀 더 상세한 음향 효
과도 분석이 요구되는 수중 환경 위치에 대한 선택 방 향을 제시한다. 셋째로 Ⓒ 단추를 이용하여 입력변수 주파수②, 음압③, 신호 지속시간④ 기반으로 식 (10)가 계산되어 수중음향 관측범위⑤까지 수중음향 송신 지속 시간ⓓ를 생성하고, 계산된 식 (8)을 결과 값 기반으로 식 (15)을 이용하여 수중음향 수치해석 결과 기반 실 시간 음파 전달 추이ⓔ를 확인할 수 있다. 그리고 사용 자가 분석 하고자 하는 선택 위치①에 대한 식 (17)을 계 산 하여 수중음향 수신신호ⓕ를 가시화해 보여주며, 본 가시화된 결과를 통해 수신 신호 수중음향 잡음 및 신 호 지연을 확인을 할 수 있다. 마지막으로 Ⓓ 단추를 이용하여 수중음향 수신신호ⓕ에 대하여 상세한 음향 효과도 분석과 스펙트럼 누손 감소를 위해 해밍 윈도우 가 적용된 식 (20)을 계산하여 1초 주기 실시간 단주기 푸리에 변환ⓖ과 ⓖ의 결과를 X 축(분석 주파수 범위), Y 축(시간)으로 나열하여 2차원 단주기 푸리에 변환ⓗ
을 가시화한다. 그리고 ⓗ의 결과에 수신 음압에 대한 결과를 사용자가 쉽게 인지할 수 있도록 Z 축(음압준위) 을 추가하여 3차원 단주기 푸리에 변환ⓘ 결과를 가시화 하여 사용자 지정 위치 수중음향 참지 효과도 분석 결 과를 시각적/정량적으로 확인이 가능하다.
그림 11은 수중음향 수신위치①(거리 8000m → 1000m, 깊이 500m → 1000m)에 따라 변동하는 탐지 효과도를 비교한 결과 송신 수중음향 신호 전달 거리 의 감소로 수신신호ⓕ의 준위가 그림 10(참조)에 비해 잡음대비 수신신호가 높아진 것을 확인할 수 있으며, 3 차원 단주기 푸리에 변환ⓘ 결과 그림 10(참조)에 비해
그림 11. 수중음향 탐지 효과도 분석 모의 도구 구현 결 과(거리/깊이)
Fig. 11. Underwater Acoustics Detection Effectiveness Simulation Tool Implementation result
(Range/Depth).
수신신호 음압준위가 상승한 것을 확인 할 수 있다.
그림 12는 운용 주파수②(200Hz → 300Hz) 변경에 따라 운용 주파수를 비교한 결과 그림 10(참조)에서 탐 지 효과도 결과가 단주기 푸리에 변환ⓖ, 2차원 단주기 푸리에 변환ⓗ, 3차원 단주기 푸리에 변환ⓘ이 200Hz 에서 분석결과에 비해 그림 12와 같이 변경된 운용 주 파수 300Hz에서 탐지 효과도 분석 결과가 나온 것을 확인 할 수 있다.
그림 13은 수중음향 송신신호 준위③(110dB → 120dB)에 따라 변동하는 탐지 효과도를 비교한 결과 송신 수중음향 송신신호 준위의 증가로 수신신호ⓕ의 준위가 그림 10(참조)에 비해 잡음대비 수신신호가 높 아진 것을 확인할 수 있으며, 3차원 단주기 푸리에 변 환ⓘ 결과 그림 10(참조)에 비해 수신신호 음압준위가
그림 12. 수중음향 탐지 효과도 분석 모의 도구 구현 결 과(주파수)
Fig. 12. Underwater Acoustics Detection Effectiveness Simulation Tool Implementation result(Frequency).
그림 13. 수중음향 탐지 효과도 분석 모의 도구 구현 결 과(신호준위)
Fig. 13. Underwater Acoustics Detection Effectiveness Simulation Tool Implementation result(Source Level).
그림 14. 수중음향 탐지 효과도 분석 모의 도구 구현 결 과(송신시간)
Fig. 14. Underwater Acoustics Detection Effectiveness Simulation Tool Implementation result(Ping duration).
그림 15. 수중음향 탐지 효과도 분석 모의 도구 구현 결 과(해상상태)
Fig. 15. Underwater Acoustics Detection Effectiveness Simulation Tool Implementation result(Sea State).
상승한 것을 확인 할 수 있다.
그림 14는 수중음향 송신 지속 시간④(30초 → 10초) 변경에 따라 수중음향 송신 지속 시간을 비교한 결과 그림 10(참조)에서 탐지 효과도 결과가 수중음향 송신 신호ⓓ, 수중음향 수신신호ⓕ가 30초 동안 송·수신 신호 분석결과에 비해 그림 14와 같이 변경된 송·수신 신호 10초 동안 탐지 효과도 분석 결과가 나온 것을 확인 할 수 있다.
그림 15는 해상 상태 변수⑨(0 → 2)에 따라 변동하는 탐지 효과도를 비교한 결과 해상 상태 변수 증가에 따른 소음(
am bien t
) 증가로 수신신호ⓕ가 그림 10(참조)에 비해 잡음대비 수신신호가 낮아져 잡음에 수신신호가 가려져 있는 것을 확인 할 수 있으며, 2차원 단주기 푸리에 변환ⓗ, 3차원 단주기 푸리에 변환ⓘ 또한, 그림10(참조)에 비해 잡음이 높아진 것을 확인 할 수 있다.
Ⅳ. 결 론
수중음향 탐지 효과도 분석을 위한 수중음향 채널은 다른 채널 특성에 비해 상대적으로 외부 환경 요소에 의한 영향을 쉽게 받기 때문에 분석이 매우 제한적이 다. 또한 수중음향 채널 분석이 필요한 개발대상 및 연 구에 대한 실 환경 테스트-베드를 구축하기에 많은 시 간, 비용적 문제가 발행하는 어려움을 극복하기 위해 모델링 및 시뮬레이션 기법을 활용한 수중음향 채널 분 석 모의 도구를 사용한다. 이러한 수중음향 채널 분석 모의 도구에 대한 연구는 국외 경우 연구가 활발하게 이루어지고 있으나 국내 경우 수중음향 채널/신호 탐 지/분석 도구 대한 연구는 수중음향통신/ 네트워크/신 호처리 등 수중음향 신호처리 성능 분석용 무기체계 공 학 모델 분석 시 수중음향 채널에 대한 환경 특성을 제외 하고 단순히 고정된 다중경로 수중음향 수신에 가우시안 잡음만을 적용한 채널특성/효과도 분석에 제한적으로 활용하고 있는 실정이다.
본 논문은 위와 같이 분석이 제한되는 수중음향 채널 에 대한 국내 수중환경에 적합한 탐지 효과도 분석도구 를 제안하였다. 본 모의도구는 실 환경과 유사하도록 수중음향 환경 데이터베이스(HYCOM) 기반 합성 수중 환경을 구축하여 수중음향 채널을 모의하였다. 수중음 향 채널 모의 결과 수중음향 채널의 긴 다중경로 지연 과 일반 가우시안 노이즈가 아닌 수중음향 채널 특성 잡음/해상 상태 적용 변수에 따라 잘 반영된 것을 확인 하였으며, 사용자가 분석하고자 하는 위치에서 수신된 신호 기반으로 수중음향 탐지 효과도 분석을 단주기 푸 리에 변환 결과를 통해 확인할 수 있었다. 향후 연구방 향은 현재 합성 수중 환경을 2차원 좌표 환경 분석체계 에서 3차원 좌표 분석체계로 확장할 예정이며, 수중 유 속을 고려한 도플러 효과를 추가 확장할 예정이다.
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저 자 소 개 김 장 은(정회원)
2011년 숭실대학교 정보통신 전자공학부 공학사 2013년 숭실대학교 정보통신 공학과 공학석사 2015년∼현재 경북대학교 전자공학부 박사과정 2013년∼현재 국방기술품질원 연구원
<주관심분야 : 수중음향통신/신호처리/채널모델링, 국방품질경영, 무기체계 신뢰성(수명예측/분석)>
한 동 석(평생회원)
1987년 경북대학교 전자공학과 공학사
1989년 KAIST 전기 및 전자공학 과 공학석사
1993년 KAIST 전기 및 전자공학 과 공학박사
1987년 10월∼1996년 8월 삼성전자 기술총괄 신호처리 연구소 선임연구원
1996년 8월∼현재 경북대학교 전자공학부 교수 2006년 7월∼2008년 7월 정보통신연구진흥원 디지털 TV/방송사업단 단장
2011년～현재 경북대학교 IT⋅자동차 융합연구 센터장
<주관심분야 : 통신신호처리, 지능형 교통시스템>
